ТЕМА I.

НАГРІВАЛЬНІ ЕЛЕКТРОПРИЛАДИ

 

Електричний нагрів в порівнянні з іншими видами нагріву (за допомогою газу, рідкого або твердого палива) має ряд істотних переваг. Основне з них - відсутність шкідливих виділень, які супроводять такому широко поширеному енергоносію, як природний газ: при відкритому горінні газу виділяються як продукти згорання (вуглекислий газ, вода), так і особливо шкідливі для здоров'я людей продукти неповного згорання (оксид вуглецю, смолянисті речовини і ін.). Крім того, електроприлади вибухобезпечні. Нагрівальні електроприлади мають коефіцієнт корисної дії (ККД) 55—95 %, тоді як у нагрівальних приладів, що працюють на твердому паливі, ККД рівний 12-20%, на рідкому паливі — 20-40 %, а на газоподібному паливі — 50—60 %. Однією  з важливих переваг нагрівальних електроприладів є можливість регулювання ступеня нагріву до певної температури.

Електричні нагрівачі побутових приладів - це пристрої, що перетворюють електричну енергію в теплову.

Тепло від нагрівального елементу до тіла, що нагрівається, може передаватися шляхом теплопровідності, конвекції або випромінювання,

Передача тепла безпосередньо від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (або від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих) називається теплопровідністю (наприклад, в електропрасках). Розповсюдження тепла шляхом пересування самих нагрітих частинок речовини називається конвекцією. Наприклад при нагріванні води знизу нагріті легші шари піднімаються вгору, а важчі холодні шари опускаються вниз. Виникають, так звані конвекційні струми, температура води поступово вирівнюється і підвищується. Перенесення тепла в воді і в повітрі шляхом конвекції відбувається швидше, ніж при теплопровідності. Нарешті, можлива також передача тепла випромінюванням від більш нагрітого до менш нагрітого тіла (наприклад, від електрокамінів).

У нагрівальних електроприладах передача тепла тілу, що нагрівається, заснована на одному з цих принципів або на їх сукупності.

Нагрівальні електроприлади складаються з корпусу, нагрівального елемента,  регулюючих пристроїв, контактних штифтів, електроізоляційних та теплоізоляційних матеріалів.

Сплави, з яких виготовляють дріт або стрічку для нагрівальних елементів, повинні мати вищій питомий опір, ніж мідь та інші провідники, що забезпечує компактність конструкції і малу залежність від температури (температурний коефіцієнт сплаву повинен бути дуже малий). Крім того, вони повинні  витримувати високу температуру, не розплавляючись і не окислюючись. Більше всього задовольняють цим вимогам спеціальні сплави — константан, ніхром і фехраль.

Константан — випускається у вигляді дроту або стрічки відповідно діаметром або товщиною від 0,003 мм і більш, в зв’язку з низькою робочою температурою в основному застосовується для виготовлення нагрівальних елементів кип'ятильників.

Ніхром — випускається у вигляді холоднокатаного дроту діаметром 0,2—5,5 мм, гарячекатаного дроту діаметром 6—10 мм і стрічки завтовшки 0,2—3 мм при ширині 6—30 мм. Перевагою цього сплаву є висока допустима робоча температура (до 1100 °С). Нагрівальні елементи, виготовлені з ніхромового дроту або стрічки, застосовуються в електричних плитках, прасках, чайниках і інших побутових приладах.

Фехраль — випускається у вигляді дроту діаметром 0,2— 6 мм. Перевагою його є відносно низька вартість (зміст заліза 80%), а недоліком — порівняно низька допустима робоча температура (до 850 °С). Нагрівальні елементи, виготовлені з фехралевого дроту, застосовуються також в електричних плитках, чайниках, прасках та інших приладах.

У всіх нагрівальних елементах струмопровідний дріт і стрічку ретельно ізолюють від корпусу. Від цього залежать якість і надійність нагрівальних електроприладів, а також їх електробезпечність.

Зазвичай для ізоляції застосовують матеріали з високими электро- і теплоізоляційними властивостями, а також високою механічною міцністю, оскільки вони повинні витримувати часті коливання температури і при нагріванні розширюватися в такому ж ступені, як і провідники.

Найкращими ізоляційними матеріалами для нагрівальних електроприладів з температурою нагріву не вище 600 °С вважаються фарфор, натуральна слюда і жаротривкий міканіт (шматочки слюди, склеєні рідким склом або борною кислотою). Для приладів з температурою нагріву 700—900°С застосовують алунд — майже чистий оксид алюмінію, магнезію — порошок оксиду магнію. Нарешті, для приладів з вищою температурою нагріву (понад 900 °С) застосовують шамот (вогнетривку глину), кварцовий пісок (SiO2) і періклаз (MgO).

Для компактності приладу при виготовленні нагрівальних елементів дріт діаметром 0,3—0,6 мм звивають в спіраль, а стрічку намотують на плоску електроізоляційну підставу.

Залежно від призначення нагрівальні елементи виконують відкритими або закритими. Закриті поділяються на негерметичні і герметичні.

Нагрівальні елементи відкритого типу є спіралі, відкрито розміщені в канавках електроізоляційного матеріалу відповідної форми або вільно підвішені на кронштейнах з електроізоляційного матеріалу. Передача тепла в них здійснюється шляхом конвекції і випромінювання. До переваг нагрівальних елементів відкритого типу відносяться простота конструкції, швидкість нагріву, легкість ремонту і відносно низька вартість. До недоліків — можливість замикання витків спіралі зовнішніми предметами, механічне пошкодження спіралі, а також недостатня  електробезпека.

Нагрівальні елементи закритого типу негерметичні виконують із спіралі або стрічки, поміщеної в захисну оболонку з електроізоляційного матеріалу, яка оберігає її від механічних пошкоджень, але не перешкоджає доступу повітря. Як захисна оболонка іноді служать лускові керамічні намиста, які надягають на спіраль, навиту з ніхромового або фехралевого дроту. Елементи подібного типу раніше знаходили застосування в чайниках і прасках. Вони прості, дешеві але мають невелику механічну міцністю. При поломці їх може відбутися замикання спіралі на корпус.

Рис. 1. Нагрівальні елементи закритого типу:

а — в захисній оболонці з керамічних намист; б — пластинчастий; в — трубчастий; 1 — керамічні намиста; 2 — дріт з ніхрому або фехралю; 3 — пластина з міканіту; 4 — контактні виводи елементу; 5 — контактні стрижні; 6 — нагрівальна спіраль; 7 —оболонка; 8 — наповнювач; 9 — герметична пробка; 10 — контактна гайка; L—розгорнута довжина нагрівача; La — активна довжина нагрівача; Lk — довжина контактного стрижня

Нагрівальні елементи закритого типу у вигляді спіралі з ніхромового або фехральового дроту поміщають також в металевий кожух, що складається з двох кільцевих чашок, запресованих одна в одну. Внутрішня частина кожуха заповнена електроізоляційною масою. Такі елементи застосовують в електричних плитках і прасках. Вони надійні в експлуатації, але нагрівають прилад порівняно довго. 

Трубчасті нагрівальні елементи закритого типу герметичні є більш досконалі. В них використовуються трубчасті електричні нагрівачі  (ТЕН), які працюють за принципом передачі тепла випромінюванням, конвекцією і теплопровідністю (Рис. 1 в).

ТЕНи виготовляються на номінальну напругу 6, 12, 24, 36, 42, 110, 127 і 220 В змінного і постійного струму.

Трубчасті електронагрівачі є металевою трубкою, усередині якої знаходиться нагрівальна спіраль, запресована в спеціальному наповнювачі, — періклазі (мінерал, оксид магнію MgO, t плав = 2800...2940 °С). Наповнювач забезпечує надійну електроізоляцію і має велику теплопровідність, тому використовується також для зменшення перепаду температур між зовнішньою трубкою і нагрівальною спіраллю.

Оболонку 7 залежно від умов експлуатації виготовляють з неіржавіючої жаростійкої сталі, алюмінієвих сплавів або вуглецевої сталі. Торці ТЕНу герметизують для запобігання проникнення атмосферної вологи в наповнювач.

Принципові переваги ТЕНів перед іншими видами нагрівачів полягають в наступному: поверхня нагрівача не знаходиться під електричною напругою, тобто електронагрівач електробезпечний (при заземленні зовнішньої трубки і правильно вибраних запобіжниках), його можна поміщати у воду, рідкий метал та інші рідини; нагрівальна спіраль, запресована в наповнювачі (при достатній герметизації торців нагрівача), має малий діаметр дроту і значний термін служби; нагрівачі надійно працюють при вібраціях і значних ударних навантаженнях (завдяки щільності набивання наповнювача); нагрівачі можуть мати будь-яку форму; конструкція нагрівача не складна.

Нагрівальна спіраль ТЕНа виконується, як правило, з дроту діаметром 0,2—1,6 мм .

ТЕН можна зігнути в будь-яку форму в холодному стані після відпалу трубки за умови, що радіус вигину буде не менше 2,5 діаметру зовнішньої трубки (при цьому спіраль усередині трубки розташована строго по осі трубки).

Приклад умовного позначення ТЕНа розгорненою довжиною 800 мм, номінальною довжиною контактного стрижня 50 мм, діаметром 8 мм, потужністю 1 кВт, призначений для нагріву харчових продуктів,  номінальна напруга 220 В: трубчастий  електронагрівач ТЕН-80-5-8/1, ОП 220.

Все наявні в природі тіла з температурою вище за абсолютний нуль володіють інфрачервоним випромінюванням. Інфрачервоним є нагрів від електронагрівачів, в яких використовуються провідники з високим питомим опором.

У практиці під інфрачервоними нагрівачами  розуміють такі, у яких максимум випромінювання доводиться на інфрачервону область спектру з довжинами хвиль від 0,76 до 3 мкм. Інфрачервоні електронагрівачі поділяють на світлі, випромінюючі крім інфрачервоних видимі промені, і темні, випромінюючі переважно інфрачервоні промені. До світлих випромінювачів відносяться лампи розжарювання типа ІКЗ (інфрачервона дзеркальна) з внутрішньою дзеркальною поверхнею для отримання направленого променевого потоку. До темних випромінювачів інфрачервоних хвиль — відкриті спіралі і ТЕНи з температурою на поверхні 700—750ºС.

При використанні приладів з інфрачервоним нагрівом для випічки і смаження підвищується якість кулінарної обробки.

По типу нагрівальні електроприлади підрозділяються на чотири групи: без регулювання, з регулюванням температури нагріву, з регулюванням потужності, автоматичні з програмним управлінням.

Для регулювання температури в приладах встановлюють терморегулятори, термообмежувачі і термовимикачі.

Терморегулятор — пристрій, чутливий до температури, якій при нормальній експлуатації служить для підтримки температури приладу або його частин в певних межах шляхом автоматичного включення і відключення ланцюга (наприклад, в побутових холодильниках, електропрасках).

Термообмежувач — пристрій, чутливий до температури, з регулюванням температури або без нього, якій при нормальній експлуатації служить для  відключення ланцюга, коли температура приладу або його частин досягає наперед заданого значення. Термообмежувач може бути з ручними поверненням і без нього.

Термовимикач — пристрій, який обмежує температуру приладу або його частин при ненормальній роботі шляхом автоматичного розмикання ланцюга або зменшення величини струму і яке сконструйоване так, що його установка не може бути змінена споживачем. Термовимикач може бути з автоматичним і з ручним поверненням.

Регулювання потужності приладу може бути ступінчастим (у електрогрілках, електроплитках і т. д.) і плавним за допомогою реостата (привід швейної машини).

Термообмежувачі, терморегулятори і термовимикачі працюють за принципом використання різних фізичних явищ. Так, в одному з найбільш поширених терморегуляторів — біметалічному — використовується явище вигинання біметалевої пластинки при зміні температури. Цей вид терморегулятора набув найбільшого поширення в електропрасках і інших побутових електроприладах.

У манометричному терморегуляторі використовується явище зміни об'єму (при зміні тиску) рідині або газу. що заповнюють замкнуту термосистему. Такі терморегулятори набули великого поширення в побутових холодильниках.

Біметалічна система складається з двох або декількох шарів металів або сплавів з різними коефіцієнтами теплового розширення, зварених між собою по всій площині зіткнення. Шар металу або сплаву з великим коефіцієнтом теплового  розширення  називається  активним  шаром, з меншим — пасивним. Пасивний шар виготовляють зазвичай з інвару (сплав заліза з нікелем) марки З6Н (нікель 35—37%, інше — залізо і домішки), який при температурі від — 60 до + 100 °С практично не змінює своїх розмірів. Активний шар виготовляють з латуні марок Л62, Л90, легованій сталі і ін.

Регулятори температури і потужності за швидкістю замикання і розмикання контактів підрозділяють на швидкодіючі і повільнодіючі. Швидкодіючі регулятори складніше по конструкції, забезпечують миттєве замикання і розмикання контактів, що виключає їх підгоряння і забезпечує великий термін служби. Швидкодіючі терморегулятори і реле застосовують в побутових холодильниках, пральних машинах і інших приладах. Розмикання і замикання контактів повільнодіючих регуляторів відбувається залежно від швидкості вигинання біметалевої пластини (наприклад, в електропрасках). Такі регулятори простіше по конструкції, але із-за іскріння контактів менш довговічні і створюють перешкоди прийому радіохвиль.